Étude des propriétés thermodynamiques et des coefficients de transport d'un plasma air - méthane en déséquilibre thermique

Study of thermodynamic properties and transport coefficients of a non-equilibrium air - methane plasma

• Auteur / Autrice : Raja Dhouioui
• Direction : Philippe Teulet, Nejmeddine Jaïdane, Yann Cressault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Air

Méthane

Propriétés thermiques

Plasmas chauds

Mots clés libres

Plasma thermique

Etl

Déséquilibre thermique

Température électronique

Composition chimique

Propriétés thermodynamiques

Coefficients de transport

Intégrales de collision

Allumage

Combustion

Air

Méthane

Résumé

On retrouve le carbone, l'oxygène et l'hydrogène dans un grand nombre d'applications ou de procédés mettant en jeu les arcs électriques et les plasmas thermiques. On peut notamment citer : les disjoncteurs basse tension avec des mélanges d'air et de vapeur organique (provenant de l'érosion des parois thermoplastiques) dans la chambre de coupure, les disjoncteurs haute tension pour lesquels sont testés de nouveaux gaz ou mélanges de gaz pour le remplissage de la cuve en remplacement du SF6, le traitement de la biomasse pour la production de gaz de synthèse, les procédés de soudage à l'arc (MIG - MAG) mais également les procédés pour l'allumage des milieux réactifs auxquels nous nous intéressons au cours de notre étude, notamment les plasmas air - méthane qui constituent des mélanges typiques associés à l'allumage réactif de la combustion. Ces différents procédés ont fait l'objet de nombreuses études théoriques au moyen de modèles magnétohydrodynamiques fondés sur l'hypothèse d'un milieu en équilibre thermodynamique local (ETL). Cependant, les décharges électriques utilisées pour l'allumage de la combustion correspondent à des arcs de faible puissance pour lesquels l'hypothèse de l'ETL n'est pas valide en tout point du plasma. Dans ce cas, la température sur l'axe du plasma reste relativement faible. Ainsi, les collisions ne sont pas suffisamment efficaces pour assurer une répartition égale de l'énergie entre les différentes espèces chimiques présentes dans le mélange. Les électrons ont alors une température cinétique Te plus élevée que celle des particules lourdes Tg. Pour étudier théoriquement ce type de milieu en tenant compte de la présence éventuelle d'écarts à l'équilibre thermique (Te ≠ Tg), il est nécessaire de développer des modèles hydrodynamiques multi températures. La mise en place de ces codes numériques est souvent fondée sur des banques de données 2T de propriétés thermodynamiques et de coefficients de transport en fonction de Te et du rapport θ = Te/Tg. Le travail présenté ici s'inscrit dans cette problématique puisqu'il concerne le calcul des propriétés d'un plasma Air-méthane à deux températures : composition chimique, propriétés thermodynamiques (masse volumique, enthalpie et chaleur spécifique à pression constante) et coefficients de transport (conductivité thermique, conductivité électrique et viscosité). La composition est obtenue à partir de la loi d'action de masse (équilibre chimique multi-températures) et des équations de conservation (pression, neutralité électrique et proportions atomiques). Les propriétés thermodynamiques sont déduites à partir de la composition. Enfin, les coefficients de transport sont calculés en se basant sur la théorie de Chapman-Enskog (adaptée au cas 2T) et sur les travaux théoriques récemment développés. Les quatre contributions à la conductivité thermique (translation des électrons, translation des particules lourdes, interne et réaction) sont calculées séparément pour qu'elles puissent être utilisées de différentes manières dans les deux équations de conservation d'énergie (électrons et particules lourdes) intervenant dans les modèles magnétohydrodynamiques 2T.

We find carbon, oxygen and hydrogen in a large number of applications or processes involving electric arcs and thermal plasmas. These include: low-voltage circuit breakers with mixtures of air and organic vapor (due to the erosion of thermoplastic walls) inside the device, high-voltage circuit breakers for which are tested new gases or gas mixtures for filling the tank by replacing SF6, the treatment of biomass for synthesis gas production, processes for arc welding (MIG - MAG) but also processes for the ignition of reactive media, especially air - methane plasmas which are typical mixtures of electrical discharge for reactive media ignition of combustion. These kinds of processes are often studied theoretically using magneto-hydrodynamic models (MHD), under the assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE). However, spark discharges involved in combustion ignition correspond to low power arcs for which the LTE hypothesis is relatively dubious. In this case, the temperature on the axis of the plasma remains relatively low. Thus the collisions are not enough efficient to ensure an equal distribution of the energy between the various chemical species in the mixture. The consequence is that the electrons have a kinetic temperature Te higher than that of the heavy species Tg. For an accurate theoretical study of this kind of discharge, taking into account the possible occurrence of departures from thermal equilibrium (Te ≠ Tg), it is necessary to develop multi-temperature MHD models. The implementation of these multi temperature models is often based upon 2T thermodynamic and transport property databases as a function of Te and of the ratio θ = Te /Tg. The present work falls under these considerations as it concerns the calculation of two-temperature (2T) Air - methane plasma properties: compositions, thermodynamic properties (mass density, enthalpy and specific heat at constant pressure) and transport coefficients (thermal conductivity, viscosity and electrical conductivity). The composition is obtained from the 2T mass action law and from the conservation equations (pressure, electrical neutrality and atomic proportions). Thermodynamic properties are then calculated analytically from the composition. Finally, transport coefficients are obtained from the Chapman-Enskog theory (extended to the 2T case) and from recent theoretical developments. The four contributions to thermal conductivity (translation of electrons, translation of heavy particles, internal and reaction) are calculated separately so that they can be used in a different way in the two energy conservation equations (electrons and heavy particles) involved in 2T MHD models.